一种压电智能骨料力学模型的建立方法与流程

本发明属于结构工程领域，尤其涉及一种压电智能骨料力学模型的建立方法。

背景技术：

围绕智能材料与结构系统开展相关新理论和新方法研究是推动结构健康监测与损伤诊断、结构振动与灾害响应智能控制体系及结构局部损伤智能修复体系研究的重要理论基础。以压电材料为代表的智能材料与结构系统，集传感、驱动及信息处理于一体的优越特性，为土木工程结构健康监测与损伤诊断开拓了新的途径，得到了广泛应用。

基于压电智能传感器与驱动器的土木工程结构健康监测与损伤识别技术虽然取得了颇为丰硕的阶段性的研究成果。但是有关压电智能传感/驱动器的理论研究、模型建立、数值模拟、损伤识别方法建立以及试验研究等尚待进一步研究，主要包括以下几个方面:

(1)由于PZT传感器的边界条件和应力状况比较复杂，与混凝上结构的界面及声阻抗匹配性能差，频带响应窄等，很难进行精确的理论分析，直接影响其测试精度和有效性。目前，压电传感器与主体结构有埋入和粘贴两种连接方式，无论釆用哪种连接方式，都是假定PZT传感器的受力与输出电压成线性关系，对于连接胶层等因素的影响考虑较少，造成分析结果与实际情况存在一定的差距。同时，PZT片与粘结层的稱合及建模理论的深入研究少，压电传感器应用研究仍以器件发为主，理论仿真多，试验验证少。

(2)基于PZT驱动器技术的研究中，一方面，将PZT片与基体稱合，利用静力学平衡原理，假设接触面处的应变相等来计算驱动力，而考虑PZT在交变电压作用下的动力特性的研究相对较少；另一方面，在实际应用中，很难精确建立驱动器输入信号与其产生驱动力的关系；在理论研究中，没有考虑PZT材料特性、PZT与基体之间粘接层对驱动力的影响。所以，粘贴式和埋入式PZT驱动技术的建模理论和试验研究还不完善。

(3)作为埋入式压电陶瓷传感器和驱动器，仅仅通过改善其封装和加强其施工保护措施，对其使用寿命的提高所起的作用十分有限。埋入结构内部的PZT传感器和驱动器面临老化问题，一旦失效将难以直接替换。同时，埋入式传感器和驱动器基本力学性能(如抗压、抗剪)及在较高应力下自身与界面粘接程度、疲劳性能、耐久性(如抗冻融循环等)等问题的研究还没能完全解决，限制了其进一步的推广和应用。

(4)土木工程结构不确定的影响因素和复杂时变的工作环境将对结构损伤识别参数的敏感性造成不利影响，实测数据和结构模型具有强烈的本质不确定性，以确定性的方式处理具有本质不确定性的结构损伤问题，掩盖了损伤导致的结构响应的变化。对结构在荷载作用下的长期连续监测中，结构的损伤引起信号的变化可能被噪声信号所淹没。仅依靠偶尔的单次监测数据不能完全反映结构的健康状态，有时甚至会出现判别错误的现象，导致理论方法与实际应用的矛盾，阻碍了基于压电智能传感/驱动器的结构健康监测与损伤识别方法的应用。

(5)传统监测系统耐久性与稳定性不好、抗电磁干扰能力不强，开展的有关试验研究以桥梁结构和简单的混凝土构件(梁、柱、板等)为主，对于大体积、足尺寸混凝土结构还缺乏理论和试验研究。基于压电传感/驱动特性的复杂结构，研发出一套完善的健康监测策略和损伤综合评定方法还有待于进一步提出。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种压电智能骨料力学模型的建立方法，旨在解决背景技术中所述以下问题：

(1)对于连接胶层等因素的影响考虑较少，造成分析结果与实际情况存在一定的差距；

(2)在实际应用中，很难精确建立驱动器输入信号与其产生驱动力的关系；没有考虑PZT材料特性、PZT与基体之间粘接层对驱动力的影响；

(3)作为埋入式压电陶瓷传感器和驱动器，仅仅通过改善其封装和加强其施工保护措施，对其使用寿命的提高所起的作用十分有限；

(4)土木工程结构不确定的影响因素和复杂时变的工作环境将对结构损伤识别参数的敏感性造成不利影响，实测数据和结构模型具有强烈的本质不确定性，以确定性的方式处理具有本质不确定性的结构损伤问题，掩盖了损伤导致的结构响应的变化；对结构在荷载作用下的长期连续监测中，结构的损伤引起信号的变化可能被噪声信号所淹没，仅依靠偶尔的单次监测数据不能完全反映结构的健康状态，有时甚至会出现判别错误的现象，导致理论方法与实际应用的矛盾，阻碍了基于压电智能传感/驱动器的结构健康监测与损伤识别方法的应用；

(5)传统监测系统耐久性与稳定性不好、抗电磁干扰能力不强。

本发明是这样实现的，一种压电智能骨料力学模型的建立方法包括：

基于PZT正压电效应的本构关系和结构动力学的振动原理，采用集总质量法，分别建立粘贴式和埋入式PZT传感器的力学模型及数学模型；

基于PZT逆压电效应的本构关系和结构动力学的振动原理，采用集总质量法，分别建立单片PZT沿长度方向自由振动、粘贴式和埋入式PZT驱动力学模型。

进一步，不考虑粘结胶层与自身阻尼时，粘贴式PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

其中，m，k和x分别为PZT的质量，等效刚度和在荷载作用下的位移，ω_n为PZT固有频率，且满足ω_n＝k/m，x(t)为PZT片在荷载作用下的位移；

考虑粘结胶层与自身阻尼时，粘贴式PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

其中m₁，c₁，k₁，x₁分别为胶层质量、阻尼、刚度和位移；m₂，k₂，x₂分别为PZT的质量、等效刚度和位移；ω为简谐荷载激励频率，ω_n为PZT固有频率；

考虑自身阻尼影响时，粘贴式PZT智能传感器PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

埋入式PZT传感器的输出电压表达式为：

进一步，PZT单片自由振动驱动器在外加交变电压U＝U₀ sinωt作用下的沿长度方向振动位移的解析解为：

PZT单片沿x方向的应力分布为：

进一步，无阻尼自由振动PZT驱动器的上下端面输出力F(t)的表达式为：

考虑胶层阻尼影响PZT驱动器输出的驱动力为：

进一步，所述压电智能骨料包括桂胶防水层、PZT片、屏蔽导线与接头、细实混凝土或砂浆外包保护层；

PZT片位于骨料中心位置，屏蔽导线的一端与PZT片连接，另一端与屏蔽接头连接，屏蔽接头与信号发射及釆集通道相连，压电智能骨料外部为细实混凝土或砂浆外包层。

进一步，该压电智能骨料的制作方法为：

步骤一、将屏蔽导线按照需要长度修剪好，去掉导线两端的保护层露出铜，用丙酮擦拭去除PZT表面的油污和键银电极上的氧化膜，待表面干燥后，选用焊锡和小功率的电烙铁将屏蔽导线一端与PZT片燥接；

步骤二、埋入骨料中的PZT片与混凝土之间不要直接接触，将焊接好的PZT片的两个表面涂上1mm左右厚的防水层，采用环氧树脂与固化剂的混合物或娃胶作为防水材料，将涂好防水材料的PZT片放在自然环境中通风凉干；

步骤三、将钢模具加工成智能骨料所需尺寸，并在钢模一端预留引出导线的缺口，制作木支座，预留与钢模相同的孔洞，用来固定钢模，用塑料薄膜将钢模缺口包裹好，并将钢模固定在木支座内；

步骤四、根据混凝土结构的材料强度及受力情况，外包层选用与基体材料相容性好的砂浆或细石混凝土；

步骤五、在钢模内部均匀涂抹一薄层机油作为脱模剂，将配置好的细石混凝土浇入钢模中，并振实混凝土，当浇注的厚度达到钢模厚度的一半时，将准备好的PZT片平稳地放入钢模内混凝土表面的正中间，并将导线放在缺口处，继续向钢模内添置细石混凝土直至填满并振实，待混凝土密实后用抹子抹平骨料表面。

本发明的另一目的在于提供一种基于所述压电智能骨料的混凝土结构动力响应检测与评估方法，方法将埋入PZT片的智能骨料作为传感器，当智能骨料受到压力F时，所产生的外电路电压V，表示为：

其中，A_p、h、g₃₃分别为PZT传感器的面积、厚度与电压常数。

本发明公开了一种与混凝土等主体结构相容性好、耐久性好、抗干扰能力强、灵敏度高、成本低廉的新型传感/驱动器元件——压电智能骨料及其制作工艺流程，将压电智能骨料应用于实际工程中相关的构造措施和细部要求；基于PZT正逆压电效应，并结合弹性动力学集总质量法，建立了由粘贴式和埋入式PZT传感器、驱动器与结构组成的简化力学模型，推导了PZT传感器和驱动器力学模型的“力-电”解析表达式。证明了压电传感/驱动器输入与输出的线性关系，运用所建立的模型能够有效地模拟监测信号的激励与接收规律，验证了所建立的力学模型和数值算例结果的合理性和正确性。

压电智能骨料具有良好的抗压、抗剪及抗冻融循环的能力，能够满足混凝土结构健康监测的需求。从而使其在实际工程条件下能很好地保持力学性能的稳定性，确保与混凝土材料具有同样的服役寿命。

附图说明

图1是本发明实施例提供的粘结胶层弹性模量与PZT传感器输出电压关系图。

图2和图3分别是本发明实施例二的滤波前和滤波后的信号图。

图4是PZT自由振动算例分析的模拟输入的电信号时程曲线。

图5是PZT自由振动算例分析的位移幅值分布曲线。

图6是实施例三提供的位移-时程曲线。

图7是实施例三提供的应力-应变本构关系曲线。

图8是实施例四提供的剪切应力幅值曲线。

图9是实施例四提供的剪切力时程曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

一种压电智能骨料力学模型的建立方法包括：

基于PZT正压电效应的本构关系和结构动力学的振动原理，采用集总质量法，分别建立粘贴式和埋入式PZT传感器的力学模型及数学模型；

基于PZT逆压电效应的本构关系和结构动力学的振动原理，采用集总质量法，分别建立单片PZT沿长度方向自由振动、粘贴式和埋入式PZT驱动力学模型。

本发明的另一目的在于提供一种压电智能骨料，该压电智能骨料包括桂胶

防水层、PZT片、屏蔽导线与接头、细实混凝土或砂浆外包保护层；

PZT片位于骨料中心位置，屏蔽导线的一端与PZT片连接，另一端与屏蔽接头连接，屏蔽接头与信号发射及釆集通道相连，压电智能骨料外部为细实混凝土或砂浆外包层。

本发明的另一目的在于提供一种基于压电智能骨料的混凝土结构动力响应检测与评估方法，该方法将埋入PZT片的智能骨料作为传感器，当智能骨料受到压力F时，所产生的外电路电压V，表示为

其中，A_p、h、g₃₃分别为PZT传感器的面积、厚度与电压常数。

进一步，不考虑粘结胶层与自身阻尼时，粘贴式PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

其中，m，k和x分别为PZT的质量，等效刚度和在荷载作用下的位移，ω_n为PZT固有频率，且满足ω_n＝k/m，x(t)为PZT片在荷载作用下的位移。

进一步，考虑粘结胶层与自身阻尼时，粘贴式PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

其中m₁，c₁，k₁，x₁分别为胶层质量、阻尼、刚度和位移；m₂，k₂，x₂分别为PZT的质量、等效刚度和位移；ω为简谐荷载激励频率，ω_n为PZT固有频率。

进一步，考虑自身阻尼影响时，粘贴式PZT智能传感器PZT智能传感器的两个极板之间的输出电压量U/(t)为：

进一步，埋入式PZT传感器的输出电压表达式为：

进一步，PZT单片自由振动，驱动器在外加交变电压U＝U₀ sinωt作用下的沿长度方向振动位移的解析解为：

PZT单片沿x方向的应力分布为：

进一步，无阻尼自由振动PZT驱动器的上下端面输出力F(t)的表达式为：

进一步，考虑胶层阻尼影响PZT驱动器输出的驱动力为：

进一步，所述压电智能骨料的制作方法为：

步骤一、将屏蔽导线按照需要长度修剪好，去掉导线两端的保护层露出铜，用丙酮擦拭去除PZT表面的油污和键银电极上的氧化膜，待表面干燥后，选用焊锡和小功率的电烙铁将屏蔽导线一端与PZT片燥接；

步骤二、埋入骨料中的PZT片与混凝土之间不要直接接触，将焊接好的PZT片的两个表面涂上1mm左右厚的防水层，采用环氧树脂与固化剂的混合物或娃胶作为防水材料，将涂好防水材料的PZT片放在自然环境中通风凉干；

步骤三、将钢模具加工成智能骨料所需尺寸，并在钢模一端预留引出导线的缺口，制作木支座，预留与钢模相同的孔洞，用来固定钢模，用塑料薄膜将钢模缺口包裹好，并将钢模固定在木支座内；

步骤四、根据混凝土结构的材料强度及受力情况，外包层选用与基体材料相容性好的砂浆或细石混凝土；

步骤五、在钢模内部均匀涂抹一薄层机油作为脱模剂，将配置好的细石混凝土浇入钢模中，并振实混凝土，当浇注的厚度达到钢模厚度的一半时，将准备好的PZT片平稳地放入钢模内混凝土表面的正中间，并将导线放在缺口处，继续向钢模内添置细石混凝土直至填满并振实，待混凝土密实后用抹子抹平骨料表面。

本发明通过以下实施例来验证压电智能骨料力学模型的准确性：

实施例一

PZT片表面被均勾涂上厚1mm的防水胶层，并埋入混凝土中制成压电智能骨料。当受到作用力幅值200N，3000Hz时，可得PZT传感器的电压输出值为

U_S＝0.266V

埋入混凝土中的压电陶瓷在不同粘结胶层影响下，传感器电压输出曲线，如图1所示。

实施例二

首先在铝片表面粘贴PZT传感器，然后将粘贴式和埋入式PZT传感器固定在夹具上，通过MTp驱动器施加正弦荷载激励，使传感器接收信号并通过数字示波器采集数据。以φ20PZT单片为例采用了巴特沃斯带通滤波进行数据处理。如图2和图3所示，为φ20PZT单片在驱动电压为2V，频率l00Hz作用下，截取的滤波前和滤波后的信号。

滤波后的信号明显好于滤波前的信号，且计算得到滤波前的电压幅值为0.09634V，滤波后的电压幅值为0.08627V，最小幅值为0.08465V，峰峰值为0.1709V，误差为

这也证明了所建立的PZT传感力学模型是合理的。

实施例三

根据所建立的PZT驱动模型，对PZT自由振动情况下的端部位移-时程曲线、应力-应变本构关系分布曲线进行数值模拟分析。其中，PZT各参数如下表所示。

选取简谐交变激励电压信号频率f＝1.54Hz

即U＝U₀ sin(ωt)＝300sin(2π×1.54)t

其中，f为数值模拟中悬臂梁的一阶固有频率，模拟输入电信号时程曲线图，如图4和图5所示。

选取端部位移最大值的位置进行分析，取时程为Is，绘制端部位移-时程曲线，则x＝l_L/2处PZT自由振动的位移-时程曲线，如图6所示，PZT振动位移与电压幅值成线性比例关系。分析各点在简谐交变电压作用下的PZT应力及应变分布，其关系如图7所示。由图可知，PZT驱动器应力不仅与应变有关，而且随着外加电场强度的变化而变化。但是电场强度对PZT各点应力的影响与其位置无关，应力-应变关系仍保持线性关系，与模型建立时理论分析结果一致。

实施例四

由上述PZT驱动模型及驱动方程的理论推导结果，对粘结层的材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析。激励电压信号仍为

U＝U₀ sin(ωt)＝300sin(2π×1.54)t

粘结层材料选取502胶，模拟输入电信号时程图，如图8所示。PZT在交变电压作用下沿长度向振动时，胶层传递剪切力，其胶层传递剪切应力分布情况，如图9所示。

由图可知，胶层传递的剪切应力以正弦波的形式从PZT长度方向的中点传递至边界，这也是应力波产生的根源。

本发明公开了一种与混凝土等主体结构相容性好、耐久性好、抗干扰能力强、灵敏度高、成本低廉的新型传感/驱动器元件——压电智能骨料及其制作工艺流程，将压电智能骨料应用于实际工程中相关的构造措施和细部要求；基于PZT正逆压电效应，并结合弹性动力学集总质量法，建立了由粘贴式和埋入式PZT传感器、驱动器与结构组成的简化力学模型，推导了PZT传感器和驱动器力学模型的“力-电”解析表达式。证明了压电传感/驱动器输入与输出的线性关系，运用所建立的模型能够有效地模拟监测信号的激励与接收规律，验证了所建立的力学模型和数值算例结果的合理性和正确性。

压电智能骨料具有良好的抗压、抗剪及抗冻融循环的能力，能够满足混凝土结构健康监测的需求。从而使其在实际工程条件下能很好地保持力学性能的稳定性，确保与混凝土材料具有同样的服役寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。